通过实例解析Java class文件编译加载过程

一、Java从编码到执行

首先我们来看一下Java是如何从编码到执行的呢？ 我们有一个x.java文件通过执行javac命令可以变成x.class文件，当我们调用Java命令的时候class文件会被装载到内存中，这个过程叫做classloader。一般情况下我们自己写代码的时候会用到Java的类库，所以在加载的时候也会把Java类库相关的类也加载到内存中。装载完成之后会调用字节码解释器和JIT即时编译器来进行解释和编译，编译完之后由执行引擎开始执行，执行引擎下面对应的就是操作系统硬件了。下图是大体的流程：

Java叫做跨平台的语言，JVM可以称之为跨语言的平台；

有个问题:java是解释执行还是编译执行？答：解释和编译是可以混合的，特别常用的代码或则是代码用到的次数特别多的时候，会把一个即时编译做成本地编译，这样会很大程度上的提高效率。

Java虚拟机是如何做到这么多语言都可以在上面运行，关键在于class文件，任何语言只要能编译成class文件，并且符合class文件的规范你就可以放在Java虚拟机上去运行。

二、详解class文件的加载过程

接下来主要讲的是一个class文件是怎么从硬盘上到内存中，并开始执行的。

类加载主要有三个过程：loading 、linking 、initializing；其中linking又分为三个步骤：verification 、preparation 、resolution；

1、首先Loading是什么意思呢？是把一个class问价load到内存中去；

2、接下来是Linking分为了三小步：

• verification 是用来校验加载进来的class文件是否符合class文件标准，如果不符合直接就会被拒绝了；
• preparation 是将class文件静态变量赋默认值而不是初始值，例如static int i =8；这个步骤并不是将i赋值为8，而是赋值为默认值0；
• resolution 是把class文件常量池中用到的符号引用转换成直接内存地址，可以访问到的内容；

3、initializing 成为初始化，静态变量在这个时候才会被赋值为初始值；

下面为类加载过程的简化图：

类加载器的加载过程是分成不同的层次来加载的，不同的类加载器来加载不同的class文件， Bootstrap >Extension>Application>Custom(自定义类加载器)

1、第一个类加载器的层次为：Bootstrap 称为启动类加载器，是Java类加载层次中最顶层的类加载器，负责加载JDK中的核心类库。

2、第二个类加载器的层次为：Extension 是用来加载扩展类的，主要负责加载Java的扩展类库,默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目录下的所有jar包。

3、第三个类加载器的层次为：Application又称为系统类加载器,负责在JVM启动时,加载来自在命令java中的classpath或者java.class.path系统属性或者CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。

4、第三个类加载器的层次为：CustomClassLoader(自定义加载器)

package com.example.demo.classloader;

public class ClassLoaderScope {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("-------------------Bootstrap加载类-------------------");
    String property = System.getProperty("sun.boot.class.path");
    String s = property.replaceAll(";", System.lineSeparator());
    System.out.println(s);

    System.out.println("-------------------Ext加载类-------------------");

    String property1 = System.getProperty("java.ext.dirs");
    String s1 = property1.replaceAll(";", System.lineSeparator());
    System.out.println(s1);

    System.out.println("-------------------App加载类-------------------");

    String property2 = System.getProperty("java.class.path");
    String s2 = property2.replaceAll(";", System.lineSeparator());
    System.out.println(s2);
  }
}
    /**输出结果只截取了部分*/
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\resources.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\rt.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\sunrsasign.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jsse.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jce.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jfr.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\classes
    //----------------------------------------------
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext
    //C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
    //----------------------------------------------
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\deploy.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\cldrdata.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\dnsns.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\jaccess.jar
    //E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\jfxrt.jar

特别注意一点这个的层级关系并没有继承的关系在里面，只是单单纯纯的语法上的继承；

下图为类加载的一个全过程：

用比较通俗的话来解释这个过程，当有一个类需要被加载时，首先要判断这个类是否已经被加载到内存，判断加载与否的过程是有顺序的，如果有自己定义的类加载器，会先到custom class loader 的cache（缓存）中去找是否已经加载，若已加载直接返回结果，否则到App的cache中查找，如果已经存在直接返回，如果不存在，到Extension中查找，存在直接返回，不存在继续向父加载器中寻找直到Bootstrap顶层，如果依然没找到，那就是没有加载器加载过这个类，需要委派对应的加载器来加载，先看看这个类是否在自己的加载范围内，如果是直接加载返回结果，若不是继续向下委派，以此类推直到最下级，如果最终也没能加载，就会直接抛异常ClassNotFoundException，这就是双亲委派模式。

理解双亲委派模式：

1、父加载器：不是类加载器的加载器，也不是类加载器的父类加载器（此处意思是没有父类与子类之间的继承关系）。

package com.example.demo.classloader;

/**
 * 验证了父加载器不是加载器的加载器
 */
public class ParentAndChild {
  public static void main(String[] args) {
    //AppClassLoader
    ClassLoader classLoader = ParentAndChild.class.getClassLoader();
    System.out.println(classLoader);

    //null 这里AppClassLoader的加载器不是ExtClassLoader 而是Bootstrap
    ClassLoader appclassLoader = ParentAndChild.class.getClassLoader().getClass().getClassLoader();
    System.out.println(appclassLoader);

    //ExtClassLoader  AppClassLoader的父加载器是ExtClassLoader
    ClassLoader parent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent();
    System.out.println(parent);

    //null
    ClassLoader parentparent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent().getParent();
    System.out.println(parentparent);

    //null
    ClassLoader parentparentparent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent().getParent().getParent();
    System.out.println(parentparent);

    /**输出结果*/
    //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    //null
    //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@23fc625e
    //null
    //Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at com.example.demo.classloader.ParentAndChild.main(ParentAndChild.java:22)
  }
}

2、双亲委派：其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，并不会直接去加载，而是自下而上的向顶层类加载器查找是否已经被加载了，如果被加载就不用进行加载，如果未被加载过，则会自上而下的检查是否属于自己加载的范围，如果属于则加载，如果不属于则向下委托，直到类被加载进来才能叫做成功，如果加载不成功就会抛异常classnotfoundexeption,这就叫做双亲委派。

3、为什么要搞双亲委派模式？

主要是为了安全，这里可以使用反证法，如果任何类加载器都可以把class加载到内存中，我们就可以自定义类加载器来加载Java.lang.string。在打包时可以把密码存储为String对象，偷偷摸摸的把密码发送到自己的邮箱，这样会造成安全问题。

三、自定义类加载器

package com.example.demo.classloader;

public class ClassLoaderByHand {
  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    Class<?> clazz = ClassLoaderByHand.class.getClassLoader().
        loadClass("com.example.demo.threaddemo.juc_002.Account");
    String name = clazz.getName();
    System.out.println(name);

  }
}

  /**
  * 输出结果
  */
  //com.example.demo.threaddemo.juc_002.Account

代码运行结果可以看出，就是你要加载一个类你只要调用classLoader中的loadClass()方法就能把这个类加载到内存中，加载完成之后会给你返回一个Class类的对象。

在硬盘上找到这个类的源码，把它load到内存，与此同时生成一个Class对象，上述的小程序是通过ClassLoaderByHand 找到他的加载器AppClassLoader 然后调用它的loadClass()方法，让它帮我们把Account类加载进来，返回一个clazz对象，使用clazz.getName()方法正常返回Account类。

什么时候我们需要自己定义去加载一个类？

热部署时就是先把之前加载的类给干掉 ，然后使用的自定义类加载器来进行重新加载

spring的动态代理，一个新的class 当需要的时候就会把它load到内存中

我们还是来看一下源码吧，加载过程最主要的还是ClassLoader中的loaderClass()方法：

结合上面给的类加载过程的图解一起看会更容易一些；

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
      throws ClassNotFoundException
  {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
      /**
       * 在加载之前先调用findLoadedClass()方法查看是否已经加载过此类
       * 若加载过 返回该对象
       * 如果未加载则返回null 进行下一步
       */
      // First, check if the class has already been loaded
      Class<?> c = findLoadedClass(name);
      if (c == null) {
        long t0 = System.nanoTime();
        try {
          //判断有无父加载器 如果不为空说明还未到顶层Bootstrap递归调用loadClass()
          if (parent != null) {
            c = parent.loadClass(name, false);
          } else {
            //如果没有父加载器说明调用的加载器为Bootstrap Class Loader, 在此加载器内存中查找是否已经加载
            c = findBootstrapClassOrNull(name);
          }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
          // ClassNotFoundException thrown if class not found
          // from the non-null parent class loader
        }
        //若以上的操作都没成功加载此类
        if (c == null) {
          // If still not found, then invoke findClass in order
          // to find the class.
          long t1 = System.nanoTime();
          //调用自己的findClass()
          c = findClass(name);

          // this is the defining class loader; record the stats
          sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
          sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
          sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
        }
      }
      if (resolve) {
        resolveClass(c);
      }
      return c;
    }
  }

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持猪先飞。